刘

（山西路桥集团晋南项目管理有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

防排水技术作为隧道设计施工中最重要的环节之一，直接决定了隧道设计施工的成败。尤其在富水、软弱围岩地层的隧道工程中，隧道地下水处治的效果直接决定了隧道施工的进度、成本及质量，而且直接影响到隧道运营期的结构稳定性、耐久性及安全性。若隧道防排水设置不合理，一方面会引起地下水的过度排泄，使得地下水位下降，地下水资源枯竭，地表沉降、塌陷，严重影响隧址区居民生活及生产；另一方面，若排水不足，使得地下水汇集至隧道支护结构背后，增大隧道支护结构荷载，导致隧道衬砌开裂、渗漏水、底板隆起、突涌水等病害，严重影响隧道施工及运营安全，降低隧道服务功能。

当前，我国对于生态环境的保护要求越来越高，因此在隧道防排水设计过程中，地下水保护的理念始终放在首要位置。目前，学者们针对地下水保护理念的隧道施工技术开展了大量而深入的研究，取得了一系列的研究成果。刘翠容[1]深入分析了现有规范中排堵结合的防排水理念，并从生态保护理念出发，提出了控制性的防排水措施；段靖海[2]结合青龙山隧道的工程案例，基于水资源保护的目的，采用帷幕注浆、增设施工缝、变形缝等措施构建防排水体系，并对防排水效果进行全面评价；李苍松[3]利用数值模拟手段分析了隧道衬砌水压力的分布规律，提出了高水压下的隧道防排水技术体系；华福才[4]利用地下水动力学理论，构建了裂隙水的分析模型，对城市地铁隧道的涌水量进行预测。本文依托某富水岩溶隧道，首先阐述了地下水平衡理念，并利用理论分析手段研究隧道限排量，进而提出隧道防排水设计方法及注浆技术，为类似工程提供参考价值。

1 工程概况

某高速公路隧道为分离式双向四车道隧道，其左右线长度均为6 210 m，为特长公路隧道。该隧址区位于中山地貌，隧道地表处存在沟谷地形，局部有陡立的峡谷地带，地表植被较厚，局部有民居建筑群及农田。隧址区内的地层主要有第四系冲洪积层（Q4al+pl）、坡残积层（Q4dl+el）、二叠系下统梁山组（P11）、寒武系中统娄关山群等。

该隧址区内岩性主要为3 类：粉质黏土，其呈灰褐色及灰黄色，围岩呈破碎状，并含有少量的碎石，其为隧道洞口段的主要围岩；灰岩、泥质灰岩，其呈深灰色、浅灰色，质地较硬，脆性较大，局部夹有盐溶角砾岩及含膏岩，该地层中分布有岩溶；钙质泥岩、砂岩，其呈灰黄色，质地坚硬，厚度约5 m，局部含有石英砂岩，风化程度较高。

隧址区内分布有多条断层破碎带，其岩层产状以N60°W/44°NE 为主，断层破碎带以灰岩和泥岩为主，其胶结松散，以泥钙质胶结为主，含有糜棱岩，其岩体破碎，整体稳定性较差。经开挖后，暴露出的隧道断层破碎带围岩情况如图1 所示；隧址区岩溶地貌情况如图2所示。

图1 隧道断层破碎带

图2 隧道岩溶地貌

2 考虑地下水保护的隧道防排水理论

2.1 地下水平衡理论

在隧道施工及运营过程中，隧址区内地下水的平衡状态直接决定了隧道防排水的设计方案及效果。为保证隧道地下水达到平衡状态，需充分研究地下水补给量、消耗量、贮存量[5]。

2.1.1 地下水补给量

隧址区地下水主要来源于大气降水、地表渗水、地层中含水层的垂直渗流、人工灌溉及生活用水的入渗等，而地下水补给量是指单位时间、单位体积内各类地下水入渗的总量。根据本项目的实际情况，其地下水补给量主要取决于大气降水的入渗，其计算公式为：

式中：W为隧址区的年平均降雨量，m/a；A为隧道施工的影响范围面积，m2；α 为大气降水的入渗系数，其值可根据隧址区地层情况进行确定。

2.1.2 地下水消耗量

地下水消耗主要分为两类，即自然蒸发与人工排放，其中自然蒸发与隧址区气候条件、地层情况、地表植被、地下水位等因素有关，且与潜水层的径流、越流也有一定关系；人工排放是指在隧道施工过程中，采用人工手段排泄地下水，以降低地下水位。结合本项目的实际情况，本隧道地下水消耗量主要考虑因施工影响而引起的人工排放量。

2.1.3 地下水贮存量

隧道地下水贮存量是指隧道影响范围内围岩含水量的重力水体积，其中潜水含水层的计算公式为：

式中：μ 为地下水的给水度；V为潜水含水层的体积。

承压含水层中除了上述地下水贮存量外，还应考虑地下水头变化所释放出的动态贮存量，其计算公式为：

式中：μ'为承压含水层的贮水系数；F为承压含水层分布面积；H为承压含水层厚度。

2.2 隧道限排量确定方法

为全面实现隧址区地下水保护的效果，在隧道施工及运营过程中，应严格控制隧道排水量；同时，结合地下水平衡理念，综合考虑衬砌水压力及施工经济效益，力争达到整体平衡。隧道地下水限排量确定方法主要有以下几个步骤：

a）基于理论分析手段，结合隧道工程实际情况，预测隧道在施工及运营过程中最大涌水量。

b）预测隧道上部土体地下水疏干范围，准确计算隧址区地下水水位下降的区域及影响范围。

c）结合隧道地表生态情况及地下水补给情况，预测隧址区地下水水位下降的幅度。

d）基于地下水平衡理念，计算维持地下水平衡状态所允许的隧道排水量。

e）根据地下水排水量及衬砌水压力，确定隧道围岩体注浆范围及注浆体渗透系数控制值。

3 隧道防排水设计方法

本项目隧址区岩性为粉质黏土、灰岩、泥质灰岩、钙质泥岩、砂岩，风化程度较高，渗透性较强；且隧道穿越断层破碎带、岩溶区，导致隧道涌水量较大。为使得隧道支护结构所受水压力保持在较低的水平，需加强隧道防排水设计，保持隧道排水畅通。基于“以堵为主，限量排放”的防排水原则，本项目采用的防水系统主要为防水层和抗渗混凝土，排水系统主要为初支与防水层间的排水设施。

在隧道防水系统方面，首先是在初支表面设置防水板，将围岩渗水拒之于隧道衬砌之外；抗渗混凝土主要采用抗渗等级为S8 的混凝土材料，可有效避免防水板失效后地下水渗入隧道衬砌内部。

在隧道排水系统方面，首先在隧道衬砌与初支间布设排水管，该排水管与排水侧沟相通，将隧道渗水汇集至中心排水沟排至洞外。其中，排水管主要为环向盲管和纵向排水管两种，环向盲管为Φ50 的软式透水管，沿初支混凝土表面布设，用于将渗水汇集至排水管，其纵向间距一般为5 m。该项目在穿越软弱破碎带地层中，为避免环向盲管堵塞采用高分子聚合物材料HDPE 排水板，其具体情况如图3所示。隧道纵向排水管布设在拱脚部位，其采用直径为Ф100 的PVC 管，防水板、环向盲管末端均与纵向排水管进行连接，从而将涌水汇集至纵向排水管，其具体情况如图4所示。

图3 HDPE 排水板

图4 环向盲管与纵向排水管连接

4 隧道注浆限排技术

由于该项目隧址区岩溶发育，地下水系发育，在隧道施工过程中极易产生较大的涌水量，若过度排放，极易导致地下水失衡，影响隧址区生态平衡，因此在隧道设计方案中应结合隧道地下水排水量及衬砌水压力，制定精细的注浆方案。结合本项目的实际情况，其采用“水平注浆+辐射注浆”相结合的手段进行注浆堵水。

图5 水平注浆孔布设（单位：mm）

首先在水平注浆方面，其通过在掌子面布设注浆孔，全面实现掌子面围岩的加固。水平注浆孔在隧道掌子面轮廓线1 m 范围内时，其间距为0.6 m，呈梅花型布设，孔深为10 m，注浆扩散半径为1.5 m；在掌子面其他部位，水平注浆孔孔距为0.8 m，呈梅花型单层布设，孔深为8 m，注浆扩散半径为2.0 m，其结构示意情况如图5所示。

在辐射注浆方面，注浆孔以掌子面轮廓线1 m范围内水平注浆孔为中心，在隧道竖向范围内以不同角度布设5 个注浆孔，其与隧道水平线的夹角及注浆孔深度、注浆孔长度的具体情况如表1 所示，注浆孔位置布设情况如图6所示。通过辐射注浆孔的布设，将进一步加固隧道周边围岩并在隧道支护结构背后形成一定渗透系数的注浆圈，从而达到地下水平衡的目的。

表1 辐射注浆孔基本参数

图6 辐射注浆孔布设

5 结论

本文结合某富水岩溶隧道的典型工程案例，全面分析其工程特性，结合地下水平衡理念，深入分析其隧道防排水设计方案及注浆限排技术，全面构建了基于地下水保护理念的隧道防排水技术体系，在研究过程中，得出以下几点结论：

a）地下水平衡状态主要取决于隧道地下水补给量、消耗量、贮存量；结合地下水排水量及衬砌水压力，分析隧道围岩体注浆范围及注浆体渗透系数控制值，可全面实现隧道地下水平衡。

b）基于“以堵为主，限量排放”的防排水原则，该项目采用的防水系统主要为防水板和抗渗混凝土，排水系统主要为初支与防水层间的排水设施。

c）在隧道注浆限排技术方面，该项目采用“水平注浆+辐射注浆”相结合的手段，水平注浆孔通过在掌子面布设注浆孔，全面实现掌子面围岩的加固；辐射注浆有利于加固隧道围岩并形成注浆圈，促进地下水实现平衡状态。